Мы рассмотрели эмиссию электронов из металла под действием тепла или сильного электрического поля. Здесь и в следующем разделе мы укажем на еще два эффекта, которые приводят к эмиссии электронов. Фотоэмиссия, которую иначе называют фотоэлектрической эмиссией или внешним фотоэлектрическим эффектом,— это эмиссия электронов, происходящая при поглощении металлом фотонов с энергией, превосходящей 4>. Этот процесс был корректно описан Эйнштейном в 1905 г. Фотон с энергией Йсо переводит электрон с энергией е в состояние с энергией (e+faa); этот электрон может выйти наружу,если (e + ftco)> (ef + Ф) и если скорость такого «горячего» электрона направлена к ближайшей поверхности. Монохроматический поток фотонов обусловливает эмиссию фотоэлектронов, кинетическая энергия которых лежит в пределах от (ft со—Ф) до нуля, поскольку начальные энергии электронов не превосходят zF, а какое-то количество фотоэлектронов потеряет часть своей кинетической энергии в одном или более столкновениях, которые они испытывают до того, как покинут металл. Спектр энергий фотоэлектронов можно исследовать путем приложения тормозящего электрического поля в вакууме вне металла. Процесс фотоэмиссии имеет три стадии: 1) образование горячего электрона, 2) движение его к поверхности, 3) преодоление поверхностного потенциального барьера. Процесс 1 протекает в слое толщиной в несколько сот ангстрем от поверхности, поскольку оптический коэффициент поглощения металла для фотонов с энергией несколько эВ равен 107—108 м~!. Практически «горячий» электрон, образовавшийся на расстоянии нескольких десятков ангстрем от поверхности, скорее всего достигнет поверхности, не потеряв энергии на соударения с другими электронами. Таким образом, критичными для фотоэмиссии являются свойства металла в пределах нескольких атомных слоев, прилегающих к поверхности. Фотоэмиссия изучается как из-за тех сведений, которые она может дать о физике твердого тела, так и вследствие прак- 240 Гл. 3. Электроны в металлах тической важности фотоэмиссионных катодов26. Такие катоды широко применяются во многих практически используемых чувствительных приборах, включая вакуумные и газонаполненные фотодиоды, фотоумножители (о которых пойдет речь в следующем разделе), электронно-оптические преобразователи и фотоэлектронные усилители изображения и телевизионные трубки. При малых энергиях фотонов (т. е. при работе в красной или инфракрасной области спектра) одним из возможных вариантов является использование цезия или другого металла с низкой работой выхода в качестве тонкого поверхностного катодного покрытия26. Фотоэмиссия широко применяется также для исследования спектра электронных состояний в твердом теле27. Необходимость таких сложных исследований станет гораздо более очевидной, когда мы познакомимся с зонной теорией твердых тел. Как мы увидим, «горячий» электрон при фотоэмиссии появляется в результате возбуждения из состояния одной зоны ниже уровня Ферми в состояние [над уровнем вакуума (ef + Ф)] в другой зоне. Таким образом, вероятность фотовозбуждения зависит от плотностей состояний в двух зонах и от матричного элемента межзонного перехода. Большое число экспериментальных результатов показывает, что часто при таком возбуждении оказывается нарушенным принцип сохранения квазиимпульса28. В этой связи заметим, что волновой вектор не может сохраняться, если электрон из свободного квантового электронного газа испытывает фотовозбуждение, а затем испускается. Действительно, если энергия и волновой вектор связаны соотношением (3.40), то электрон с энергией (е+ftco) должен иметь волновой вектор, отличающийся от волнового вектора электрона с энергией е. Изменение волнового вектора во много раз превышает волновой вектор участвующего в возбуждении фотона (~ 107 м"1). Анализ фотоэмиссии в твердом теле с точки зрения зонной теории показывает, что в одних случаях при фотовозбуждении волновой вектор к должен сохраняться, а в других — нет.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Фотоэмиссия» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
